Scelte tecnologiche per massimizzare la produzione di biogas

L’IMPATTO DEL SISTEMA DI INCENTIVAZIONE SUL

“MERCATO” DEL BIOGAS

Pierluigi NavarottoPierluigi Navarotto

[email protected]@unimi.it

Giovedì 10 maggio 2012

“Scelte tecnologiche per massimizzare la produzione di biogas”

L’IMPIANTO DI BIOGASL’IMPIANTO DI BIOGASCostituito da varie sezioni le cui componenti devono essere ben armonizzate tra loro per avere le necessarie garanzie di affidabilità ed efficienza.

GESTIONE OTTIMALE DEL PROCESSO

MASSIMA EFFICIENZA

CARATTERISTICHE MECCANICHE

BIOMASSE

Spazio libero per eventuale nome struttura o altro

Sistema di trattamento-inserimento nell’impianto

+

+

+

QUALITA’ DELLE BIOMASSEQUALITA’ DELLE BIOMASSE

Innanzitutto è essenziale garantire la qualità costruttiva dell’impianto:

• digestori ed opere murarie

• componentistica elettromeccanica

…troppo spesso si dimentica che debbono durare almeno 20 anni!

BIOMASSEBIOMASSE• Attenzione al Decreto interministeriale sulle rinnovabili in itinere.


- prodotti di origine biologica (22,9 €cent/kWh)- sottoprodotti di origine biologica (25,7 €cent/kWh)

• limite del 30% di prodotti di origine biologica

100 vacche da latte con rimonta 90 kWel

200 vacche da latte con rimonta 200 kWel300 vacche da latte con rimonta 300 kWel

350 scrofe 90 kWel

750 scrofe 200 kWel

2000 suini da ingrasso 200 kWel

3000 suini da ingrasso 300 kWel

QUALITA’ DELLE BIOMASSEQUALITA’ DELLE BIOMASSE

• Garantire il maggior contenuto energetico


ovvero

- per gli effluenti di allevamento: rapida veicolazione all’impianto

- per gli insilati: ridurre le perdite di conservazione

SISTEMI DI PRETRATTAMENTO - ALIMENTAZIONE

• PER MIGLIORARE LA RESA IN METANO DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA DELLE BIOMASSE– all’interno delle biomasse esiste una certa quantità di energia

“imprigionata” nelle molecole meno disponibili all’attacco enzimatico delle comunità microbiche

• (Hendricks et al., 2009)

– Fin’ora molto lavoro è stato fatto soprattutto per quanto riguarda gli effetti di trattamenti chimici e chimico-fisici di fanghi di depurazione

• (Bougrier et al., 2007; Valo et al., 2004)

I PRETRATTAMENTI PER MIGLIORARE LA DIGERIBILITÀ DELLA BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA

• La biomassa lignocellulosica è composta da tre differenti polimeri in associazione fra loro:– Cellulosa

• Nelle piante è presente sia in forma amorfa che cristallina; formata da sub-unità di Glucosio. Le fibre di cellulosa, principalmente slegate, sono debolmente legate fra di loro (Perez et al., 2005).

– Emicellulosa• Struttura molto complessa in cui prevalgono polimeri di zuccheri a 5 e a 6

atomi di carbonio organizzata in fasci di fibre la cui solubilità, nel caso di trattamenti termici, aumenta all’aumentare della temperatura, ma anche al variare del pH.

• Ha una funzione di collegamento fra le fibre di lignina e di cellulosa.– Lignina

• Costituente delle pareti cellulari delle cellule vegetali• Nella cellula è presente in forma amorfa ed ha una funzione

prevalentemente “plastica” e “strutturale”• L’effetto che i pretrattamenti hanno è quello di migliorare la fase di

idrolisi e la resa totale in metano

QUALI PRETRATTAMENTI?

• MECCANICI– Macinazione

• Riduzione della dimensione delle particelle di biomassa che porta (Palmowski and Muller, 1999) :

– ad un aumento della superficie specifica (cm2/g)– ad una riduzione del grado di polimerizzazione delle molecole– ad uno sminuzzamento della biomassa

• questo può portare:– ad un incremento totale della resa dell’idrolisi delle lignocellulose e

della produzione di metano dal 5 al 25% in funzione del tipo e della durata della macinatura.

– Ad una riduzione del tempo di digestione dal 23 al 59% (Delgénes et al., 2002)

– Estrusione• La biomassa è sottoposta ad una compressione meccanica seguita da una

distensione improvvisa – Sminuzzamento, Schiacciamento– Frantumazione della struttura cellulare


• TERMICI–Riscaldamento della biomassa fino a 150÷180°C così da indurre una solubilizzazione delle frazioni emicellulosiche e lignocellulosiche

•TRATTAMENTI CON VAPORE– Temperatura elevata (fino a 240°C) ed alta pressione per pochi minuti seguita

da raffreddamento della biomassa.

•”STEAM EXPLOSION”– Come prima ma si ha una depressurizzazione molto veloce seguita da un

altrettanto veloce raffreddamento che causa l’ “esplosione” dell’acqua contenuta nelle cellule della biomassa.

–Lo scopo è solubilizzare le emicellulose per rendere più accessibile la cellulosa per l’idrolisi enzimatica ed impedire la formazione di composti inibitori (Brownell et al., 1986)

-Alcuni autori ricordano che il pretrattamento a vapore, se da un lato solubilizza velocemente i componenti solubili della lignina, dall’altro può indurne una veloce condensazione con il risultato di diminuirne la digeribilità

• CON ACQUA CALDA

– Al posto del vapore si utilizza acqua bollente grazie alla quale si solubilizzano prevalentemente le emicellulose. Per evitare la formazione di sostante inibitrici è necessario mantenere il pH della biomassa fra 4 e 7

– Rispetto ai trattamenti con vapore si ha una minore concentrazione di prodotti solubili.

– La quantità di sostanze solubilizzate aumenta ulteriormente se l’acqua calda è fatta “flussare” attraverso la biomassa


• PRETRATTAMENTI ACIDIFICANTI– Consistono nell’aggiunta di acidi a temperatura ambiente per

solubilizzare le emicellulose e rendere disponibile la cellulosa.

– Se si utilizzano H2SO4 oppure HNO3 la produzione di metano risente

della produzione di H2S e N2.


• PRETRATTAMENTI ALCALINIZZANTI– Si hanno reazioni di solubilizzazione e saponificazione che inducono

nella biomassa una condizione di “ammorbidimento” tale da renderla più accessibile agli enzimi e ai batteri

– Ai fini della produzione di biometano non sembrano esserci controindicazioni particolari. Pavlosthathis et al., (1985) hanno segnalato incrementi di resa in metano del 100% trattando paglia di frumento.

• PRETRATTAMENTI ENZIMATICI– In letteratura sono riportati risultati contrastanti circa il loro impiego

• PRETRATTAMENTI COMBINATI

• Trattamenti termici + trattamenti acidi– L’addizione di un acido durante il trattamento termico permette di

solubilizzare le emicellulose abbassando la temperatura ottimale e rendendo la biomassa più facilmente degradabile (Gregg et al., 1996; Hendricks et al., 2009)

– La graduale solubilizzazione delle emicellulose può innescare un fenomeno di riorientamento della struttura della cellulosa verso una forma maggiormente cristallina (Gregg et al., 1996).


• Trattamenti termici + trattamenti alcalini– Sono fatti aggiungendo calce alla dose di 0,1g Ca(OH)2/g di substrato e

portando al temperatura a 100÷150°C (Changet al., 2001).– In base ad alcuni autori questo trattamento combinato è sufficiente a

rendere meglio degradabile la biomassa con poca lignina, ma non quella che ne contiene in maggiore quantità.

– Fox et al. (2003) hanno rilevato incrementi di resa in metano da 3 a 4.5 volte superiori trattando carta di giornale in questo modo.

EFFETTI DEI VARI PRETRATTAMENTI SULLA COMPOSIZIONE CHIMICA E LA STRUTTURA DELLA BIOMASSA LIGNOCELLULOSICA

+---+Alcalini

+++++Acidi

---+ND+Acqua calda (flusso)

---+ND+Acqua calda (batch)

++-++Termici

++Meccanici

Alterazione lignina

Composti indesiderati

Solubilizz. lignina

Solubilizz. emicellulosa

Decristall.

cellulosaAumento cm2/g

+ = grande efficacia; - = poca efficacia; ND = sconosciuto

IN DEFINITIVA …

• La biodegradabilità della biomassa lignocellulosica è limitata da parecchi fattori fra cui:– La cristallinità della cellulosa– La superficie disponibile all’attacco microbico– Il contenuto di lignina

• I pretrattamenti termici con vapore, con calce, con acqua calda sono quelli che presentano la maggiore potenzialità; tuttavia il loro effetto è estremamente dipendente dalle condizioni operative e dalla composizione della biomassa.

PRETRATTAMENTI ENZIMATICI

• INSILAMENTO– Perdita di biomassa fra il 5 e il 50% durante la

conservazione: essenziale insilare correttamente! – Miglioramenti si possono ottenere mediante l’additivazione

di specifici microrganismi che riescono a rendere maggiormente disponibili per l’utilizzo i polisaccaridi della parete cellulare.

– Resta comunque essenziale che la raccolta della biomassa e la conduzione dell’insilamento siano gestite correttamente perché complementari all’attività dei microrganismi.

• La complessità delle interrelazioni tra i vari processi rende particolarmente difficile effettuare valutazioni sugli effetti complessivi dei vari trattamenti e sulla loro effettiva convenienza economica

• Un’ulteriore difficoltà è legata alla specificità delle risposte ai diversi trattamenti da parte delle varie biomasse

• Solo future esperienze operative e lo sviluppo di specifiche ricerche potranno fornire elementi utili ad operare scelte realmente ponderate.

• Una indicazione che appare comunque chiara è la specificità dei trattamenti per le varie biomasse ed in questo senso è necessario predisporre i futuri impianti.

1. immissione delle frazioni liquide e solide separatamente

a) Contenitore in cls. Si ha maggiore robustezza e durata rispetto alle soluzioni in acciaio.

b) Contenitore in acciaio. La movimentazione può essere fatta tramite:

-walking floor-trasportatore di fondo a catena- nastro trasportatore continuo-parete mobile.

c) Cassoni con sistemi di miscelazione. Si tratta di carri miscelatori stazionari ove il materiale viene miscelato ed omogeneizzato.

L’INSERIMENTO DELLA BIOMASSAL’INSERIMENTO DELLA BIOMASSA


1. immissione con veicolazione tramite pompaggio

a. sistema con cassone dosatore, tramoggia, miscelazione con il liquido di veicolazione, trituratore e pompa di sollevamento

1. Cassone dosatore

2. Coclea dosatrice

3. Coclea di elevazione

4. Gruppo di miscelazione con liquido di trasferimento

5. Trituratore

6. Pompa di ricircolo digestato

7. Digestore

8. Liquami



a. sistema con cassone dosatore, miscelatore su celle di carico, pompa e trituratore

1. Cassone dosatore

2. Coclea dosatrice

3. Coclea di elevazione ed inserimento

4. Silo per eventuali prodotti integrativi

5. Miscelatore su celle di carico

1. trituratore

2. Pompa di sollevamento

3. digestore


5. liquami


a. sistema con vasca polmone di miscelazione

1. Vasca polmone di miscelazione

2. Mixer sommergibili ed orientabili

3. Riscaldamento a parete o sul fondo

4. Immissione biomassa liquida

5. Immissione biomassa solida (con pala caricatrice e carro miscelatore)

1. trituratore

2. Pompa di sollevamento

3. digestore


- Assicura il massimo contatto tra microrganismi e biomassa in fermentazione, ottimizzando l’efficienza della d.a.

MISCELAZIONE

- La difficoltà a mantenere le condizioni di miscelazioni ottimali dipende dal volume di digestione, dalle caratteristiche delle biomasse trattate e dal tenore di solidi del materiale.

- Indispensabile:

- ridurre i consumi

- consentire le riparazioni senza svuotare i digestori

Fonte: 18° Annual Conference of German Biogas Association

RISCALDAMENTO

•è necessario per far fronte alle perdite di calore dovute all’immissione della biomassa e alle dispersioni che si hanno attraverso le pareti del digestore

SOLUZIONI TECNOLOGICHE

Serpentina interna con circolazione di acqua calda

Riscaldamento, tramite scambiatore esterno, del materiale in digestione

Generalmente realizzata in polipropilene reticolato, ma

anche in acciaio

Indicati per biomasse con bassi tenori in solidi.

Soluzione preferita nel caso di miscelazione idraulica

GASOMETRO

• Elemento indispensabile per raccogliere temporaneamente il biogas prodotto, in attesa del suo uso al cogeneratore.

• Poco utilizzate le classiche soluzioni a campana


GASOMETRO MONOMEMBRANA

• una sola membrana che viene posata in combinazione con una copertura coibentata lignea del digestore.


Le soluzioni più diffuse prevedono

GASOMETRO A DUE MEMBRANE

• prima membrana: resistente agli agenti atmosferici, con funzione di protezione• seconda membrana: funzione gasometrica

NB: le pressioni di esercizio sono dell’ordine di 1,5-2, mmbar


• va prevista una durata media del gasometro di cinque anni

SISTEMI DI CONTROLLO

LA GESTIONE DELL’IMPIANTO È L’ASPETTO CHE MAGGIORMENTE PREOCCUPA E CHE NE CONDIZIONA LA REDDITIVITÀ NEL LUNGO PERIODO

OCCORRE DISPORRE DI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI E DI RILEVAMENTO DEI PARAMETRI DI PROCESSO

-pH

-Redox

-Solidi sospesiconfronto

- fos/tac

- ac. grassi volatili

OTTIMIZZAZONE DEL PROCESSO E CONTROLLO DELLA RAZIONE


SISTEMI DI CONTROLLO

BISOGNA INOLTRE MANTENERE IL CORRETTO EQUILIBRIO TRA BIOGAS PRODOTTO E BIOGAS

RICHIESTO PER IL REGOLARE FUNZIONAMENTO DEL GRUPPO DI COGENERAZIONE ALLA PIENA POTENZA

per evitare di «sprecare biogas» diminuendo così l’efficienza energetica della biomassa

per evitare emissioni di metano in atmosfera


Ancora meglio:

•Migliorare l’efficienza e…. aumentare la tariffa!•+ 3 €cent/kWh con riduzione dell’azoto totale del 60%•+ 1,5 €cent/kWh con riduzione dell’azoto totale del 40% (sino a 600 kW).

Possibile ma non indolore: i maggiori costi di investimento, manutenzione e gestione possono annullare i benefici economici,

restano comunque quelli ambientali!

CONCLUSIONI

la realizzazione di un impianto di biogas richiede

quindi un approccio integrato che, partendo dalla sua

corretta progettazione e realizzazione, preveda la

necessaria strumentazione, la preparazione del

personale e l’assistenza tecnica, indispensabili per

assicurare una gestione sostenibile nonostante le

tariffe del nuovo decreto


Prof. Pierluigi Navarotto

L’IMPIANTO DI BIOGAS: TECNOLOGIE COSTRUTTIVE E BIOMASSE

Scelte tecnologiche per massimizzare la produzione di biogas

Business

Transcript of Scelte tecnologiche per massimizzare la produzione di biogas